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《柔软的宇宙 第18章 玩自爆的小偷 》




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科技 科普

更新时间:2017年8月15日

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第18章 玩自爆的小偷

      
        说到阿尔法磁谱仪,那可是大大的有名,因为主导者就是大名鼎鼎的丁肇中(图片18-1)。他年轻的时候就展露出了在实验物理方面的才华,后来在大型物理学实验方面每战必胜,从无败绩,1976年还拿了诺贝尔物理学奖,因此在国际上威望非常高。他搞的项目中有不少都是国际合作项目,人员来自世界各地,就好像“小联合国”。他协调各方各面,干起事情雷厉风行毫不拖泥带水,有“科学沙皇”之称。

                                图18-1 丁肇中和aIpha磁谱仪

        这个阿尔法磁谱仪已经是第二代了,因此缩写叫AMS2。探测原理是基于一个假设:暗物质粒子的反粒子就是它自己,因此两个暗物质粒子偶尔碰到一起会发生湮灭,产生的能量会创造出电子以及正电子。我们从天体物理的模型可以计算出一个正电子和电子的比例关系,假如正电子比例多得不正常,那么必定有蹊跷,极有可能是暗物质粒子产生的。意大利的帕梅拉探测器在2008年探测到多余的正电荷,但是帕梅拉探测器并不能分辨到底是质子还是正电子,这两种粒子都带正电,因此需要新的探测器去探测,阿尔法磁谱仪就应运而生了。

        这个计划是一个国际合作项目,共动员了二百多人,来自三十一所大学院校和十五个国家。我国作为丁肇中的祖国,自然是积极参与。核心部件永磁铁是我国的产品,强磁铁离不开稀土,我国是稀土大国,近水楼台先得月。这个阿尔法磁谱仪是个大家伙,大概有近七吨的重量,必须安装到国际空间站上。2003年哥伦比亚号航天飞机在从太空返回的时候空中解体,宇航员全部死亡,再加上航天飞机维护费用极其昂贵,这次事故之后,航天飞机的退役就进入倒计时。可是俄罗斯的飞船没办法运这么重的东西,险一险就没了运载工具。最终还算幸运,搭上了末班车,在2011年的倒数第二次航天飞机任务中,阿尔磁谱仪被送上了国际空间站。随后航天飞机全部退役进了博物馆,太空霸主美国暂时失去载人航天的能力,直到今天。

        经过几年的运行,阿尔法磁谱仪积累了大量数据。到了2014年,阿尔法磁谱仪已发现了一千〇九十亿个电子与反电子,在已经完成的观测中,暗物质的六个特征已有五个得到确认,这一研究结果将人类对暗物质的探索向前推进了一大步。在一个能量段内,正电子多得不正常,应该与暗物质有关系。这些正电子来自四面八方,并没有某个特定方向,与暗物质的分布是相符合的。

        2015年底,我国也开始参与大型科学探测项目,发射了暗物质粒子探测卫星,经过社会征名,起了个颇有民族传统的名字叫“悟空”。“悟空”上搭载了四种探测器,分别是塑闪阵列探测器、硅阵列探测器、BGO量能器、中子探测器,造价七亿人民币。虽然听起来很贵,但是起码比阿尔法磁谱仪的价钱便宜多了,那时候美国人可是花了二十亿美元呢!暗物质粒子探测卫星能探测的粒子的最大能量大约是阿尔法磁谱仪2号的十倍,同时,能量分辨率更高,比NASA费米卫星的准确率提升了十倍,并且能观测阿尔法磁谱仪2号无法观测的光子。我国现在也越来越多地参与到这种基础科学的探测与实验中来,除了寻找和研究暗物质粒子,这颗卫星还将致力于研究宇宙线起源和伽马射线等,极大地推动我国空间科学的发展。没有蒸蒸日上的综合国力支撑,就没有办法玩这些探索未知的项目,经济基础才是王道,咱们如今也不差钱了。

       别看探测器一个个都升空了,也拿回了不少的数据。可是先别高兴得太早了,科学研究总是按下葫芦起来瓢,这边数据对上茬了,那边就很可能错得离谱。在计算机上玩模拟计算的科学家们可遇上麻烦了,2012年,美国加利福尼亚大学欧文分校的宇宙学家迈克尔模拟了标准冷暗物质对矮椭球星系形成过程的影响,这是一种环绕着银河系运转的迷你卫星星系,通过观察矮椭球星系内部恒星的运动方式,迈克尔能够推断出它们内部暗物质的含量。他说:“结果好像讲不通,模拟得到的矮椭球星系要比真实宇宙中我们看到的质量更大,密度更高。”既然“冷暗物质”的不行,咱就来算“热”的,让“热暗物质”上去试试看。它们更不容易成团,从而形成更为松散的星系。在二十世纪八十年代,有人怀疑,暗物质是不是就是中微子啊?中微子也是一种中性的、不喜欢与其他物质起作用的粒子,热暗物质模型就是以中微子为基础的。但后来发现,热暗物质与冷暗物质恰恰相反,中微子运动太快,根本聚集不成相对紧密的星系结构。

        还有第三个办法。几年前,弗伦克让他的团队去寻找一个“最佳”解决方法,暗物质既不太热,又不太冷,而是刚刚好。让他们吃惊的是,这种不冷不热的温暗物质能够形成与观测相符的矮椭球星系。不过,仍然会有其他影响:温暗物质粒子的主要候选者是惰性中微子,大型强子对撞机或许会撞出惰性中微子,但它们很难探测,只有当普通中微子自发转变成惰性中微子那一刻恰好被看见,我们才能知道有这么回事。如果不冷不热的温暗物质才是暗物质本尊,那么以前各种实验那不就是拜错了庙门?特别是在直接探测WIMP粒子方面,那岂不是花了大把的冤枉钱啊!要知道卫星和国际空间站也都不便宜,还有那些苦巴巴地在深山老林里蹲坑守候的探测者,岂不是也白花了大把的汗水与青春?真凄凉……

        英国爱丁堡大学的豪尔赫和他的同事们,也一直在探测近距离矮椭球星系中暗物质的分布。他们发现,暗物质在这些星系的直径方向上似乎是均匀分布的,他说:“这种恒定不变的密度是我们事先没有预料到的。”用任何温度的暗物质进行计算机模拟,不管是冷的、热的,还是温的,得出的矮星系都是越靠近中心密度越高。体形稍大、距离更远的星系也看到了这种现象。

        考虑得再复杂一些,普通物质要是和暗物质掺和在一起作用呢?这事就更复杂了。至今为止,各路消息都有,就是没有一路是确切肯定的,至今还是一个谜。暗物质说到底,还是一种说不清道不明的存在。从微波背景辐射的数据来看,暗物质虽然要比普通物质多了好多倍,却仍然不占大头。占据真正统治地位的是另外一种物质,叫做“暗能量”,这东西就更加神秘。根据最新的普朗克卫星的数据推测,4.9%是普通物质,26.8%是暗物质,68.3%是暗能量,大头是暗能量。这暗能量又是属于哪路神仙?居然如此神秘,连个脸都不露,这东西到底是怎么被人发现的呢?这还要从宇宙中一个不那么光彩的小偷说起。

        在宇宙中测量距离,很多时候是靠光度法来测量的。一个一百瓦的大灯泡,亮度我知道,那么就可以拿这个作为依据来计算距离。只要是知道大灯泡的瓦数,我再测量一下亮度,就可以计算出它有多远了。那么我怎么知道这个灯泡是几瓦的呢?哈勃靠的是造父变星,造父变星的变光周期跟亮度有关系,可以根据亮度变化周期来计算出这个灯泡到底是几瓦的。那么换算一下,距离也就知道了。1929年,哈勃首先发现河外星系的视向速度与距离成比例(即距离越大视向速度也越大),并给出比值为500,后来人们称为哈勃常数,以符号H表示。1931年,哈勃和哈马逊第二次测定H为558,后又订正为526,计算哈勃常数的时候应用了造父变星和星系中的最亮星来标定距离。1952年巴德指出,仙女星系中造父变星的星等零点有问题,需要调整一下,变动了1.5等,由此哈勃常数应修订为260。1958年桑德奇指出:哈勃所说的最亮星实际上位于电离氢区,因此要再加上1.8等的星等改正,从而将哈勃常数降低为H=75。1974~1976年,桑德奇和塔曼又用七种距离指标的方法重新修订哈勃常数,得到H=55,只及哈勃当年测定值的1/10。这就是说,按哈勃定律推算星系的距离,用H的新修订值所得结果比哈勃当年所得的结果增大十倍,这也说明哈勃常数是出了名的难以测定。

        自从二十世纪七十年代以来,许多天文学家用多种方法测定了H,各家所得的数值很不一致,哈勃常数测定值的分歧在于用不同的方法给出的距离不一致。排除掉观测的误差,银河系内距离指标的标定不确定等外在因素,还有内在原因。例如:不同星系之间由于化学成分、年龄、演化经历的不同,距离指标和绝对星等之间的关系就不会一致。在2006年8月,来自马歇尔太空飞行中心(MSFC)的研究小组使用美国国家航空航天局的钱德拉X射线天文台发现的哈勃常数是77,误差大约是15%。2009年5月7号,美国宇航局NASA发布最新的哈勃常数测定值,哈勃常数被确定为74.2±3.6,不确定度进一步缩小到5%以内。最近这个数值又被普朗克卫星修正为67.8±0.77。这是怎么测出来的呢?因为找到了新版本的大灯泡。对于遥远的星系,望远镜里面看起来太小了,即便是个星系团也只看得见一个小亮斑,根本无法分辨里面的造父变星,因此造父变星这种“标准烛光”就不再好使了,必须寻找一种新的“大灯泡”,需要亮得耀眼,亮得出众,亮得独一无二。天文学家们的目光就盯住了一个宇宙里的“小偷”,而且是个玩“自杀式爆炸的”恐怖分子,这个大灯泡太亮了,比一个星系的光还要亮,哪怕是在宇宙边缘,也能看得真真切切,这把量天尺就是1a型超新星。

       宇宙里面不少数的星星都是成双成对的,双星系统之中,一颗星偷吃另一颗星的气体的事太常见了,只要相互靠得够近,必然会出现这种偷东西的情况,按照电视小品里的说法叫“薅羊毛”。假如那个小偷是个白矮星,“薅羊毛”就要“薅”出危险了。白矮星密度很大,大概咖啡方糖这么大的物质就有一吨重,白矮星的体积跟行星差不多,比如天狼星的伴星,就是一颗白矮星,体积跟地球差不多大。但是表面引力是地球表面的十八万倍,温度在一万度上下。白矮星因为体积小,密度高,表面引力强。假如双星系统一面有一颗是白矮星,另外一个是普通恒星或者红巨星,白矮星偷吃隔壁邻居的气体就特别方便。但是别忘了,前头还有个钱德拉塞卡极限呢,大约是1.44个太阳质量。白矮星要是不断地偷吃隔壁邻居的气体,那么就会越吃越大,慢慢质量就开始逼近1.44个太阳质量了。当达到钱德拉塞卡极限的那一刻就突然扛不住了,“砰”地一声炸掉。因为白矮星的质量是逐渐逼近钱德拉塞卡极限的,所以爆炸威力基本恒定,大约到了1.44个太阳质量就炸,而且是刚刚临界就爆炸了,彻底炸干净,一点儿不剩,不大可能残留下中子星。这样的话,爆炸亮度就每次都一样,齐刷刷地一致。只要判断是这种类型的超新星爆炸,旁边的伴星也被炸得尸骨无存。超新星爆炸的亮度顶得上一个星系的总亮度,离得老远就能看见,在天文学上,管这种“小偷玩儿自爆”叫做1a型超新星。NASA确定哈勃常数,靠的就是1a型超新星。

        有了这把可靠的量天尺,科学家们就开始了一项观测计划:那就是搜寻大红移超新星。看看在遥远的宇宙深处有没有超新星爆炸,最好是1a型超新星。那样的话,就可以方便地测量出距离。要知道,光穿越宇宙也要花时间,越是遥远的天体就越古老。我们现在看到的景象,就是这些天体小时候的样子,那么我们就可以分析出宇宙早期的天体演化情况。多统计统计,不就可以把那时候的宇宙情况了解个大概了吗?科学家们找了一圈下来,观察到了几十个1a型超新星,它们的红移量也都很大,说明退行的速度很快很快。根据哈勃定律,越远的退行越快,那么大概也可以毛估它们的距离。结果这帮科学家核对了又核对,当最终结果摆在面前时,大家全傻了:宇宙正在加速膨胀。怎么会这样呢?

        从超新星的距离上来看,远比我们预计的要远得多,也就是说比预计的暗很多。那么按照现在的膨胀速度是对不上茬了,宇宙必定存在一个加速膨胀的过程,而且到现在为止仍然在加速膨胀。科学家们大跌眼镜啊!要知道这个结果太出乎意料了!本书前面的章节讲过,科学家们曾经计算过宇宙的形状,要是物质够多的话,宇宙的曲率会很大,会造成宇宙封闭。膨胀会越来越慢,最后停下来,然后开始开倒车,宇宙开始大收缩,最后收缩成一个大挤压的奇点。要是宇宙里面的物质太稀少,那么很可能宇宙就是平直的,或者是个马鞍形的宇宙。这两种宇宙都是开放的,虽然膨胀会减慢,但是永远也减不到0。你盼望过程逆反,开始收缩,那是不可能的了。但是即便如此,也是个渐渐减速的过程,怎么会莫名其妙地加速呢?到底是谁给宇宙提供的能量?宇宙为什么会加速膨胀呢?

        做了大量数据分析以后,科学家们大致弄清了整个过程:宇宙大爆炸的早期,的确是按照人们开始计算的那样,“砰”地一下,宇宙暴胀开了。然后呢,物质产生了,万有引力也就一并产生了。那时候宇宙很小,大家彼此离得都很近,引力很集中,那时的宇宙的确是减速膨胀的。但是大概就在六十亿到七十亿年前,宇宙开始加速膨胀了,就像踩了油门一样越胀越快。

        一定是有一种东西,在支撑着宇宙的加速膨胀。这种东西,我们过去一直不知道它的存在,说白了也像暗物质一样,不与光发生干系,对我们来讲是看不见的。但是这种东西与暗物质相反,它存在一股斥力而不是引力。我们知道有引力的物质很喜欢一坨一坨地粘在一起,暗物质也喜欢成坨地聚集。但是暗能量就不同了,因为互相之间是斥力,它们不会聚集成团,必定是在广袤的宇宙间均匀分布的,那么也就接近于常数的样子。难道是常数?大家心里“咯噔”一下子,貌似有个常数还挺出名啊,那就是爱因斯坦的那个宇宙常数啊。当年爱因斯坦为了扯平宇宙的膨胀,特地加了个常数进去。后来哈勃观测到了宇宙的膨胀,爱因斯坦悔得肠子都青了,把宇宙常数称为他一生最大的错误。不过添加了这个宇宙常数,就如同打开了潘多拉的盒子,再也关不上了。无数人开始刷论文,先拿不带宇宙常数的公式写一遍,然后拿带宇宙常数的公式再算一遍。也有人是反过来的,带着宇宙项去计算,看看最后能不能推导出宇宙常数等于0,要是等于0,那爱因斯坦当年就不该加上宇宙常数,反过来就是爱因斯坦没错。刷来刷去,这个宇宙常数存在感还挺强的,所以大家立刻就把爱因斯坦的这个宇宙常数给想起来了,好像跟暗能量还蛮符合的。

        假如暗能量就是爱因斯坦的宇宙常数,那爱因斯坦本事也太大了,连犯错误都犯得这么帅!也有人怀疑,这是第五种基本的力。我们知道宇宙间有四种基本的力:强力,原子核里面就归它管,距离稍微远点儿就够不着了;电磁力,这个大家都知道,我们看得见摸得着的物质都是电磁力的表现,金刚石为什么那么硬?石墨为什么那么软?这都是化学键不同导致的,化学键就是电磁力在起作用;弱力,这家伙导致了放射性元素的衰变,氢核融合变成氦也靠它;引力,爱因斯坦解释成时空的弯曲,引力非常弱,但是作用距离非常远,大尺度内,没有哪种力能压得住引力。过去认为引力是大尺度内的王者之力,但是现在看来,引力在更大尺度内败给了暗能量,暗能量想必是一种更加微弱,但是作用距离更远的东西。假如是爱因斯坦的宇宙常数的话,那么整个宇宙应该是处处一致,常数嘛!是否随时间变化呢?就像哈勃常数那样,其实并不是常数,而是随时间变化着,现在还不知道宇宙常数是否也随时间变化。

        现在,我们可以想象得出大爆炸的开始阶段:宇宙膨胀经历了暴胀,体积瞬间增大了几十个数量级,当物质和引力产生之后呢,宇宙膨胀就开始减速了;随着宇宙不断膨胀,物质也就变得稀薄了,再加上物质因为引力的缘故喜欢一坨一坨的,那么两坨物质就开始彼此远离,在星系团以上的尺度内,物质就不是成坨分布的了,而是在彼此远离,慢慢地相互之间的引力也在减弱,万有引力是按照平方反比的规律在衰减。终于,物质离得足够远了,已经小于暗能量的斥力了,这时候暗能量开始占据压倒性优势,虽然弱,但是架不住持之以恒,齐心协力,宇宙就被这股能量充斥着持续加速膨胀。

        有人说,这个暗能量好像也是来无影去无踪,看不见摸不着,甚至无法直接探测,是不是跟量子力学描述的那个“真空零点能”有点像呢?会不会就是真空量子涨落搞的鬼呢?有人按照量子场论来推导宇宙常数,结果一算吓一跳,计算出来的值比观测到的值大了n倍!有人说,天文观测能搞对数量级就很不错了,大个n倍也没关系,但是你要知道这回计算差的可不是那么一星半点,相差的倍数那是10 120 ,完全对不上茬了。

        看来这个算法是不对的,有人就开始打牛顿的主意了,一小部分人开始怀疑万有引力的平方反比规律。假如平方反比规律只是个近似规律,那就好办了。假如大尺度内不符合平方反比规律,比如星系级别比平方反比要大,到了星系团以上的级别比平方反比要小,那么就可以统一解释暗能量和暗质。根据奥卡姆剃刀原理:“如无必要,勿增实体。”这样的话,不需要引入暗物质和暗能量这两种东西,就能解决现有问题。现在这类理论中影响最大的一个叫做“修正牛顿动力学”,简称“MOND”,他们觉得引入暗物质没有必要,引力其实是一种“熵力”,都是这个熵在背后捣鬼。还记得黑洞熵吗?引力与温度居然有联系,这不是偶然的,背后必有蹊跷,这一派“修正主义分子”就是这么想的。

        可是引力的平方反比规律久经考验,不是想推翻就能推翻的。平方反比规律从根本上讲来自于三维空间的场,这东西其实就是计算力线的密度,还记得法拉第摆弄的磁力线吗?对于引力,我们一样可以用类似的办法。我们可以假想从地心发射出了无数的“引力线”,一平方米内有很多力线穿过。距离远上一倍,力线就变得稀疏多了,一平方米内力线的密度大约是原来的四分之一,这就是平方反比的来历。这也从侧面证明了,我们的宇宙不算时间的话,空间是三维的。万有引力也好,库仑定律也好,都是平方反比规律。这是三维空间内普遍的规律,想要推翻,说实话挺难的。但是有人分析了一百五十三个盘状星系的状况,发现它们与“MOND”理论吻合得蛮不错的,于是支持暗物质的一派和支持MOND的一派还在撕扯中。目前还是支持暗物质的一派占上风,因为间接证据更充分一些。

        还有一派人马想要刨了爱因斯坦相对论的老根儿:要是引力质量与惯性质量不相等,那么这事儿就变得好玩了,广义相对论即便不被推翻也要大幅度修正。口说无凭,只能凭实验来判定,有人还在很高的塔上专门进行自由落体实验,看看能不能发现什么蛛丝马迹。他们到现在也还没发现靠得住的证据,理论上的事,毕竟还是要靠观测来一锤定音。对于宇宙边缘的研究,基本上就依赖这些高红移的天体。越是遥远的天体,光传递到我们眼里的路程就越长,时间也越久。反推过去,事件发生之时,也要比现在早很多年。现在科学家们找到了不少红移非常大的1a型超新星,伽马射线暴的红移量比1a超新星还要大得多,伽马射线暴可以说是宇宙里仅次于宇宙大爆炸本身的最强大的爆发,因此可以在极远的地方看到伽马射线暴。现在观察到最远的一颗1a超新星大约在一百亿光年左右,红移量大约1.914,但是伽马射线暴的红移量轻松达到6,红移最大的达到8.2。反推爆发的时间,那时候宇宙诞生仅仅六点四亿年,相当于还是个娃娃。对于研究早期宇宙,高红移的天体是个重要的线索。

        说来有趣,对伽马射线暴的研究之始居然涉及军事机密。那是在美苏冷战的时代,双方都要监视对方的核试验,核爆炸会产生伽马射线,于是美国人就发射了伽马射线探测卫星到太空,专门监视苏联有没有异样的伽马辐射,顺带监视中国的核试验。不过美国人倒是吃了一惊,隔三差五就能收到非常短促的伽马射线,难道苏联人隔三差五就能爆核弹?这也太夸张了吧!事情涉及军事机密,因此被捂了好几年才在专业科学杂志上发表。这些伽马射线显然不是核弹爆炸搞出来的,方向根本不来自地面,而是来自宇宙深处,强度也很大,规模相当于太阳这么大的恒星在一百亿年中发出的能量在一瞬间全部释放出来,人类哪有这么大的本事啊!

        当然,早期对伽马暴的监视不算精确,经常搞不清楚准确方向,为伽玛暴来无影去无踪,偶尔来那么一下,马上就消失了,你也看不到这事是谁干的。一直到1996年,荷兰和意大利联合搞的BeppoSAX卫星上天,才发现了伽马射线暴的余晖。原来伽马射线暴会在x射线波段留下余晖,时间比较长。这下好了,天上卫星一报告发现伽马射线暴,地面上长枪短炮齐刷刷地对准那个方位抓紧观测和研究,不久,伽马射线暴的光学余晖和射电余晖也被观测到了。

        随着数据越来越多,大家发现伽玛暴分为两类:一类持续时间在两秒以内,伽马射线的频率比较高,称为“短暴”;另外一类持续时间比较长,在两秒以上,频率也比较低,称为“长暴”。现在基本认定,短暴来自中子星的合并,当两个中子星合并在一起,会短时间内爆发出极大的能量,然后中心变成一个黑洞。长暴则来自大质量的天体坍塌成黑洞的过程,五十到一百个太阳质量的巨大恒星在死亡的时候,会发生超新星爆炸,最终坍塌成为黑洞,期间伴随着天体的两极方向出现强大的喷流(图18-5)。宇宙中的天体都在自转,旋转就会产生磁场,会把炙热的物质沿着自转轴方向喷出去。现在,天体物理学家们在研究伽马射线暴的时候,也使用一个“火球模型”,跟当年宇宙大爆炸的“火球模型”有相似之处。不管是长暴还是短暴,到最后还是会得到一个黑洞加上一个吸积盘,周围的气体全部被吹散。

          图18-5 编号G299的超新星爆发后的残迹

        伽马射线暴时不时就来它一家伙,就像宇宙里的一位杀手,临死了还要“随机放一枪”,至于哪个星球躺枪,这就难说了。假如伽马射线暴在离地球很近的地方发生,地球会被伽马射线暴彻底烤焦,好在我们周围没有那么恐怖的玩意。有人猜测,这也是宇宙里面生命如此罕见的一条理由。某一星球好不容易进化出生物,巧不巧被伽马射线暴喷到,星球表面瞬间完蛋,这不是倒霉催的嘛!宇宙间的生命,恐怕大部分就这么死得不明不白。 伽马射线暴说到底是黑洞玩出来的东西,喷流虽然能量强大,但是时间也很短促。黑洞能不能搞出长时间持续性的喷流呢?且听下回分解……
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